智慧灌區(qū)建設(shè)探討

邱俊楠，王宏偉，李樹(shù)元，王 姝

（1.中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津 300222；2.天津市龍網(wǎng)科技發(fā)展有限公司，天津 300171）

1 灌區(qū)信息化與智慧灌區(qū)

1.1 灌區(qū)信息化現(xiàn)狀

我國(guó)灌區(qū)信息化建設(shè)開(kāi)始于20 世紀(jì)80 年代，當(dāng)時(shí)稱為計(jì)算機(jī)技術(shù)在灌區(qū)中的應(yīng)用。一些水利單位和科研單位開(kāi)始了研究和試點(diǎn)，取得了一批研究成果，并在生產(chǎn)實(shí)踐中應(yīng)用。

自2000 年左右國(guó)家啟動(dòng)續(xù)建配套與節(jié)水改造工作以來(lái)，解決了灌區(qū)嚴(yán)重病險(xiǎn)、“卡脖子”工程的問(wèn)題，提高了灌區(qū)骨干工程的配套率和設(shè)施完好率，改善了灌區(qū)效益衰減的狀況。但是由于國(guó)內(nèi)大部分灌區(qū)仍然以粗放式管理為主，且灌區(qū)工程多為兼顧灌溉、防洪、城市供水等于一體的系統(tǒng)工程，灌區(qū)管理工作涵蓋雨水情監(jiān)控、水資源調(diào)配、工程管理等多方面業(yè)務(wù)。雖然目前我國(guó)灌區(qū)信息化具備了一定的基礎(chǔ)，但仍不能滿足各行業(yè)對(duì)灌區(qū)高質(zhì)量服務(wù)的需求[1]。

1.2 灌區(qū)信息化存在的問(wèn)題

受到管理體制、經(jīng)費(fèi)投入等方面的制約，灌區(qū)信息化管理水平仍比較低下，存在以下幾方面問(wèn)題。

1.2.1 信息化標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，共享性差 盡管水利行業(yè)出臺(tái)了一系列系統(tǒng)開(kāi)發(fā)標(biāo)準(zhǔn)，但鑒于灌區(qū)管理的特殊性，目前灌區(qū)信息化尚無(wú)統(tǒng)一的設(shè)備安裝、數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)及軟件開(kāi)發(fā)標(biāo)準(zhǔn)。各灌區(qū)管理系統(tǒng)或采用通用信息化標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，或根據(jù)業(yè)務(wù)要求自定義設(shè)計(jì)規(guī)則，此做法導(dǎo)致灌區(qū)信息化軟件重復(fù)開(kāi)發(fā)率高、共享性差，嚴(yán)重制約了灌區(qū)信息化的發(fā)展。

1.2.2 重硬件建設(shè)，輕軟件投入 目前灌區(qū)信息化尚處于數(shù)據(jù)采集與傳輸階段，只重視硬件設(shè)備建設(shè)，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的統(tǒng)計(jì)、分析，沒(méi)有充分挖掘數(shù)據(jù)價(jià)值，如建立灌區(qū)水量利用過(guò)程模型并智能模擬，導(dǎo)致目前的灌區(qū)系統(tǒng)不能指導(dǎo)灌區(qū)水資源的優(yōu)化調(diào)配，沒(méi)有真正實(shí)現(xiàn)灌區(qū)智慧化。

1.2.3 未產(chǎn)品化發(fā)展，綜合集成能力差 多年來(lái)，國(guó)家在灌區(qū)信息化方面做了諸多工作，取得了一定的成果，但灌區(qū)管理工作復(fù)雜、涉及面廣，目前灌區(qū)系統(tǒng)尚未產(chǎn)品化。雖然各灌區(qū)、部門根據(jù)其特定的業(yè)務(wù)需求，開(kāi)發(fā)了雨水情查詢、灌溉預(yù)報(bào)、供水分析、水費(fèi)收繳等一系列系統(tǒng)，但由于這些系統(tǒng)沒(méi)有統(tǒng)籌規(guī)劃，導(dǎo)致系統(tǒng)間各自為政，且硬件資源利用率低，綜合集成能力不高。

1.3 灌區(qū)智慧化的必要性

大中型灌區(qū)是保障國(guó)家糧食安全的重要基礎(chǔ)。我國(guó)現(xiàn)有部分灌區(qū)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)信息化，但僅限于基礎(chǔ)信息的采集、存儲(chǔ)，缺少結(jié)合灌區(qū)業(yè)務(wù)實(shí)際對(duì)信息進(jìn)行深度分析、利用的機(jī)制，尚未實(shí)現(xiàn)智慧化。

水利部2018 年印發(fā)《深化農(nóng)田水利改革的指導(dǎo)意見(jiàn)》中提到，農(nóng)田水利是保障國(guó)家糧食安全、促進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要基礎(chǔ)，是實(shí)施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的有力支撐，深化農(nóng)田水利改革是推動(dòng)農(nóng)田水利持續(xù)健康發(fā)展的根本保障。2019 年農(nóng)村水利水電工作年度報(bào)告中指出，2016—2019 年全國(guó)累計(jì)安排358 處大中型灌區(qū)開(kāi)展大中型灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造，為我國(guó)灌區(qū)信息化發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

隨著《鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略規(guī)劃》《關(guān)于開(kāi)展“十四五”大型灌區(qū)續(xù)建配套與現(xiàn)代化改造實(shí)施方案編制工作的通知》等的發(fā)布，加快農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化步伐、開(kāi)展灌區(qū)智慧化建設(shè)，是我國(guó)“十四五”及未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間的工作。因此，以灌區(qū)工程管理、統(tǒng)籌用水、防洪調(diào)度等為導(dǎo)向，結(jié)合灌區(qū)實(shí)際業(yè)務(wù)，開(kāi)展智慧灌區(qū)建設(shè)已成為必然趨勢(shì)[2]。

2 智慧灌區(qū)解決的問(wèn)題

圍繞灌區(qū)水資源分配與利用、水工程監(jiān)控與管理、水經(jīng)濟(jì)發(fā)展等問(wèn)題，基于感知數(shù)據(jù)和3S 技術(shù)構(gòu)建灌區(qū)一張圖，集合人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等新一代技術(shù)，建立從灌區(qū)來(lái)水預(yù)測(cè)到用水管理，從工程巡檢到管理單位考評(píng)的全方位、多角度智慧化灌區(qū)管理平臺(tái)[3-5]。

2.1 智慧灌區(qū)的數(shù)據(jù)流程

智慧灌區(qū)以空間、基礎(chǔ)、監(jiān)測(cè)、業(yè)務(wù)、多媒體等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)灌區(qū)雨量、水位、流量、水量等信息查詢。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合灌區(qū)實(shí)際業(yè)務(wù)，應(yīng)用水量統(tǒng)計(jì)算法、來(lái)水預(yù)測(cè)模型、用水分析模型，實(shí)現(xiàn)量測(cè)水監(jiān)控、水費(fèi)計(jì)收、工程巡檢等業(yè)務(wù)管理。最后，結(jié)合設(shè)施自動(dòng)執(zhí)行模型，為用戶提供汛情警戒、配水調(diào)度和灌溉規(guī)劃。智慧灌區(qū)的數(shù)據(jù)流程如圖1 所示。

圖1 智慧灌區(qū)數(shù)據(jù)流程

2.2 智慧灌區(qū)的優(yōu)勢(shì)

智慧灌區(qū)可實(shí)現(xiàn)物聯(lián)監(jiān)測(cè)全域覆蓋、多源數(shù)據(jù)融合、閘門泵站遠(yuǎn)程控制，并基于監(jiān)測(cè)及歷史數(shù)據(jù)，建立灌區(qū)來(lái)水及作物灌溉過(guò)程模型，全局統(tǒng)籌灌區(qū)水資源調(diào)配。

2.2.1 全時(shí)空感知 基于灌區(qū)渠首、分水口等立體化監(jiān)測(cè)體系，實(shí)現(xiàn)多手段、全方面、超便捷、實(shí)時(shí)化的感知。

2.2.2 多維度決策 建立預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、水量調(diào)度、計(jì)量收費(fèi)、灌溉服務(wù)、行業(yè)監(jiān)管、輔助決策于一體的灌區(qū)業(yè)務(wù)全生命周期的決策支持。

2.2.3 網(wǎng)格化監(jiān)管 依托區(qū)塊鏈技術(shù)，實(shí)現(xiàn)灌區(qū)用水精準(zhǔn)計(jì)量，確保臺(tái)賬數(shù)據(jù)及時(shí)同步，且防泄漏、防篡改、可追溯。

2.2.4 全景化監(jiān)視 融合多源數(shù)據(jù)，構(gòu)建“灌區(qū)一張圖”，實(shí)現(xiàn)灌區(qū)監(jiān)視信息全方位、多視角、遞進(jìn)式的展示。

2.2.5 精細(xì)化管控 集成灌區(qū)內(nèi)閘閥、泵站等智能控制設(shè)備，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程精細(xì)化自動(dòng)控制和智能巡檢。

3 智慧灌區(qū)的實(shí)現(xiàn)

3.1 總體框架

依據(jù)安全保障及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，將遙感、雨水情、水質(zhì)等全時(shí)空感知數(shù)據(jù)通過(guò)高速網(wǎng)絡(luò)傳輸至數(shù)據(jù)中心，利用大數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)交換與分享、人工智能等云端互聯(lián)支撐技術(shù)，充分結(jié)合灌區(qū)實(shí)際業(yè)務(wù)，以應(yīng)用門戶和移動(dòng)端形式提供物聯(lián)監(jiān)控、灌區(qū)一張圖、水量調(diào)度、用水監(jiān)督、效益分析、工程管理等應(yīng)用，為各級(jí)管理單位及農(nóng)戶提供服務(wù)，解決其在日常工作中的痛點(diǎn)，有效提高各環(huán)節(jié)工作效率，提升灌區(qū)用水效益。智慧灌區(qū)的總體架構(gòu)如圖2 所示[6-7]。

圖2 智慧灌區(qū)總體架構(gòu)

3.2 智慧灌區(qū)功能

3.2.1 物聯(lián)監(jiān)控 依托灌區(qū)感知監(jiān)測(cè)設(shè)備及傳輸網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)監(jiān)控雨量、渠首水位、泵站、機(jī)井等信息，依據(jù)管轄范圍權(quán)限，對(duì)轄區(qū)內(nèi)管理者提供預(yù)警提醒，為灌季實(shí)時(shí)查看監(jiān)測(cè)信息提供便捷。

基于智能遠(yuǎn)程控制柜等先進(jìn)設(shè)備，借助物聯(lián)技術(shù)，將水閘、泵站、水表等的參數(shù)存儲(chǔ)上報(bào)至手機(jī)，并接收手機(jī)一系列指令，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程啟動(dòng)/停用、遠(yuǎn)程配置、遠(yuǎn)程升級(jí)。

針對(duì)工程運(yùn)行過(guò)程，提供人工填報(bào)機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)、時(shí)長(zhǎng)等信息入口，準(zhǔn)確計(jì)算水閘、泵站等工程用水量，與終端控制結(jié)合，實(shí)現(xiàn)灌區(qū)輸水工程遠(yuǎn)程管理。

3.2.2 灌區(qū)一張圖 基于全國(guó)水利基礎(chǔ)和水利空間服務(wù)，充分整合灌區(qū)空間數(shù)據(jù)資源，應(yīng)用“天地圖”等公共服務(wù)資源，構(gòu)建灌區(qū)一張圖。

以一張圖為底板，分層次、分業(yè)務(wù)、分專題、多角度對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)視、預(yù)警，實(shí)現(xiàn)對(duì)灌區(qū)雨水情、閘門監(jiān)測(cè)及自動(dòng)控制、墑情、干渠水量、支渠口及斗口測(cè)控、田間農(nóng)渠口測(cè)控、泵站水量、機(jī)井水量、行政邊界水量等信息的直觀監(jiān)控，建立網(wǎng)格化量水體系，實(shí)現(xiàn)灌溉用水精準(zhǔn)計(jì)量，為灌區(qū)規(guī)劃、管理提供數(shù)據(jù)支撐[8]。

3.2.3 水量調(diào)度 應(yīng)用相似年法、多元線性回歸分析等模型，精準(zhǔn)預(yù)報(bào)灌區(qū)不同時(shí)間尺度的可利用水量，應(yīng)用Penman-Monteith 公式、土壤濕潤(rùn)層水量平衡推求作物需水、灰色動(dòng)態(tài)模型、PPR（投影追蹤回歸模型）等研究成果，預(yù)測(cè)灌區(qū)不同作物的灌溉需水量。

結(jié)合灌區(qū)工程供水能力及效益，建立多目標(biāo)用水配置模型，開(kāi)展灌區(qū)供需平衡分析，為灌區(qū)統(tǒng)籌用水提供決策支持，達(dá)到節(jié)約灌溉用水和科學(xué)高效管理灌區(qū)的目的，為實(shí)現(xiàn)灌區(qū)水資源優(yōu)化配置、提高灌溉用水效率和保障灌區(qū)可持續(xù)發(fā)展發(fā)揮重要作用。

3.2.4 用水監(jiān)管

3.2.4.1 用水申請(qǐng)痕跡化：以灌區(qū)灌溉用水審批業(yè)務(wù)流程為導(dǎo)向，建立自管理處至管理局的用水申請(qǐng)及審批管理，方便用戶在線辦理審批業(yè)務(wù)，同時(shí)提供灌溉用水調(diào)度令的下發(fā)及在線預(yù)覽功能，節(jié)省灌季用水的申請(qǐng)周期，提高工作效率。

3.2.4.2 用水臺(tái)賬多級(jí)化：對(duì)灌區(qū)取用水量、取用水計(jì)劃及水費(fèi)計(jì)收信息進(jìn)行臺(tái)賬管理，形成從市級(jí)→縣級(jí)→鄉(xiāng)鎮(zhèn)→村級(jí)4 級(jí)灌區(qū)的用水臺(tái)賬，服務(wù)灌區(qū)管理和水費(fèi)收繳。

3.2.4.3 水費(fèi)計(jì)收實(shí)時(shí)化：以用水計(jì)量為基礎(chǔ)，采用IC 卡智能管理終端實(shí)現(xiàn)取水水權(quán)配額許可管理，依托區(qū)塊鏈技術(shù)，按照水價(jià)計(jì)費(fèi)自動(dòng)征收，對(duì)每個(gè)用水戶的用水量遠(yuǎn)程傳輸至上一級(jí)水資源信息管理平臺(tái)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)匯總，加強(qiáng)過(guò)程監(jiān)管。通過(guò)對(duì)用水進(jìn)行計(jì)量分析，提高水資源利用率，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整與水資源配置的雙向促動(dòng)。

3.2.5 效益分析 以灌區(qū)實(shí)時(shí)水位、閘控監(jiān)測(cè)為基礎(chǔ)，結(jié)合灌季人工填報(bào)水閘記錄信息，對(duì)灌溉用水進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)度分析、高效配水，實(shí)時(shí)掌控灌區(qū)水量使用情況。基于用水申請(qǐng)及實(shí)時(shí)灌溉記錄，結(jié)合經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、管理等因素，綜合分析年度灌溉用水效益，為來(lái)年灌溉用水分配及制定用水計(jì)劃提供依據(jù)，支撐灌區(qū)高效節(jié)水[9]。

3.2.6 工程管理 以灌區(qū)工程巡檢、白蟻防治、水政執(zhí)法、險(xiǎn)情上報(bào)等業(yè)務(wù)流程為導(dǎo)向，實(shí)現(xiàn)自管理段巡檢員至管理局業(yè)務(wù)部門的工程檢查在線處理，方便用戶開(kāi)展業(yè)務(wù)，實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)工程檢查情況。

基于工程自身的獨(dú)立編號(hào)生成二維碼，通過(guò)手機(jī)掃碼的方式輕松實(shí)現(xiàn)設(shè)備巡檢，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、快速的上報(bào)檢查信息，提高巡檢效率，縮短工程檢查管理周期。

4 智慧灌區(qū)的預(yù)期成效

智慧灌區(qū)為傳統(tǒng)的水庫(kù)、渠道、管道等水利基礎(chǔ)設(shè)施插上信息化的翅膀，通過(guò)“天網(wǎng)”和“地網(wǎng)”的結(jié)合實(shí)現(xiàn)水利基礎(chǔ)設(shè)施精細(xì)化管理和高效運(yùn)營(yíng)，將灌區(qū)管理由目前的信息化向數(shù)字化、智能化、高效化轉(zhuǎn)變，全面提升灌區(qū)綜合管理水平，促進(jìn)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的發(fā)展。